|
Технологии ЖК-панелей
Примечание:
К сожалению, данный документ не закончен, но, на мой взгляд, даже в таком виде он уже может быть полезен.
Ниже представлена обобщенная модель классификации дисплеев, использующих жидкие кристаллы в качестве оптического модулятора:
Исторически выделяются следующие технологические подходы к производству ЖК-панелей:
1. Регулярность формы элементов изображения
В качестве самого простого типа диспелея может выступать сегментный индикатор, в котором конструктивно заложено отображение определенных геометрических знаков.
Для визуализации знаков разной формы на одном и том же индикаторе есть несколько способов:
«Вершиной» сегментного индикатора является графическая точечно-матричная панель, которая позволяет в дискретном «матричном» виде приблизить отображение произвольной графической формы.
Графическая панель представляет собой совокупность ячеек на плоскости, отвечающих за отображение отдельных дискретных элементов изображения.
2. Методы адресации ЖК-панели (Drive Method)
2.1. Прямая адресация или мультиплексирование адресных линий (Direct driving vs multiplex driving)
Чем меньше удельный размер дискретных элементов изображения (ячеек) по отношению к линейным размерам дисплея, тем выше детализация изображения.
Но с ростом количества ячеек расчтет и количество линий управления.
Например для цифрового семисегментного (плюс знак точки) индикатора для формирования трехзначных чисел нужно 3 x 8 = 24 входных управляющих линии.
Рис. 2.1-1. Прямая адресация элементов сегментного индикатора.
Самый распространенный способ сокращения количества линий управления основан на мультиплексировании управляющего сигнала.
Данный метод позволяет для M × N сегментов индикатора использовать не M × N управляющих линий (или пар линий), а всего лишь M + N линий.
В случае если M = N = 1000, возникает кардинальная экономия в 1000 х 1000 − (1000 + 1000) = 998 000 управляющих линий.
Рис. 2.1-2. Адресация элементов сегментного индикатора мультиплексированием.
Здесь нужно отметить, следующее.
В отличие от прямой адресации, метод мультиплексирования не позволяет контроллеру (управляющему устройству) поддерживать непрерывную связь с управляемым элементом.
Таким образом, в один момент времени контроллер получает возможность управления меньшим числом элементов.
Отсюда следует, что по сути контроллер использует не параллельный интерфейс, а параллельно-последовательный (или чисто последовательный), в котором управляющие импульсы к разным элементам управления чередуются во времени.
То есть в этом случае существенное влияние на качество изображения начинают влиять такие параметры, как время опроса одного элемента, время автономной работы одного элемента, частота опроса всех элементов (например, частота регенерации кадра) и т. п.
Очевидно, что данный метод позволяет сократить число линий управления от индикатора к контроллеру.
Но, с другой стороны, мультиплексирование не применимо для таких типов элементов управления, разрыв управляющей связи с которыми неприемлем и приводит к деградации функциональности.
К счастью, человеческий глаз обладает инерционностью восприятия (этот факт, например, обеспечил саму возможность передачи телевизионного изображения последовательным способом по одной линии связи).
Подбирая подходящую частоту опроса элементов индикатора, можно обеспечить вывод устойчивого изображения даже при очень малом времени автономной работы отдельных элементов индикатора.
2.2. Пассивные ЖК-панели PMLCD (Passive Matrix LCD)
Управление ячейками пассивных ЖК-панелей основано на базовом принципе мультиплексирования адресных линий, поэтому контрастность изображения сильно зависит от времени восстановления ЖК-ячейки и от чувствительности к перекрестным помехам.
2.3. Активные ЖК-панели AMLCD (Active Matrix LCD)
3. Простраственная ориентация молекул ЖК (или порядок ЖК)
3.1. Смектический порядок (смектики)
Одним из представителей дисплеев со смектическим порядком ЖК-молекул является ферроэлектрический ЖК-дисплей — FLCD (Ferroelectric Liquid Crystal Display).
В отличие от наиболее распространенных дисплеев на основе нематиков ферроэлектрический ЖК-дисплей имеет ряд интересных свойств:
Свойство бистабильности подразумевает наличие двух возможных устойчивых положений ориентации директора ЖК-молекул.
Это значит, что в результате управляющего воздействия хиральные смектики принимают одну из двух стабильных пространственных ориентаций.
При этом после прекращения управляющего импульа ЖК-молекулы сохраняют стабильное заданное направление.
Это позволяет кардинально снизить энергозатраты при выводе статического изображения.
3.2. Нематический порядок (нематики)
3.3. Холестерический порядок (холестерики)
4.Режим светопропускания
4.1. Светопропускание
4.1.1. Гомеотропная ориентация VA (Vertical Alignment)
Super PVA (S-PVA)
Рис. 4.1.1-1. Внешний вид ячейки S-PVA.
Advanced Super View (ASV)
Линейка ЖК-панелей ASV разработана Sharp по технологии Continuous Pinwheel Alignment (CPA), основанной на гомеотропной ориентации директора в ЖК-ячейке с осевой симметрией.
4.2. Светопоглощение (Absorption Mode)
ЖК-дисплеи, использующие эффект светопоглощения делятся на следующие группы:
4.3. Избирательное отражение (Selective Reflection)
4.4. Дисперсия (Scattering)
В дисплеях PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) ЖК нематического типа смешаны с полимерами.
В свободном состоянии ячейка выглядит светлой, так как падающий свет равомерно рассеивается вследствие разных показателей рефракции составляющих ячейку полимеров и ЖК.
После подачи управляющего напряжения нематики меняют показатель преломления света, сравниваясь по этой характеристике с дисперсированными частичками полимеров.
Это приводит к тому, что падающий свет свободно достигает и поглощается задней матовой стенкой дисплея, и ячейка становится темной.
5. Методы формирования цветовых оттенков изображения (Color Image)
5.1. Цветные светофильтры (Color filters)
ЖК-ячейка по сути является оптическим модулятором, то есть изменяет величину пропускаемого светового потока пропорционально поданному к ячейке управляющему напряжению.
Но для создания цветного изображения необходимо не только иметь возможность управления яркостью пикселей, но и их цветом.
Одно из возможных относительно недорогих решений этой задачи заключается в том, чтобы использовать цветовые фильтры.
Как известно, в аддитивной цветовой модели используются три основных цвета: красный, зеленый, синий.
Поэтому один полноцветный пиксель ЖК-дисплея состоит из трех ЖК-ячеек, покрытых соответствующими цветовыми фильтрами.
В качестве материалов для светофильтров используют органические пигменты, красители и окислы металлов.
Недостатком данного подхода является низкий оптический КПД, так как ЖК-панель пропускает всего несколько процентов падающего или проходящего насквозь света.
5.2. Электрически управляемое двулучепреломление ECB (Electrically Controlled Birefringence)
Скрученные нематики помимо поворота оси поляризации света обладают также побочным действием в виде эффекта двойного преломления света.
Этот эффект проявляется при раздвоении проходящего через анизотропную среду светового луча.
В обчных ЖК-панелях этот эффект считается паразитным, так как вызывает нежелательное окрашивание элементов изображения.
Но за счет применения специальной схемы управления ЖК-ячейками высокочастотным напряжением можно обеспечить формирование устойчивого цветового оттенка.
Созданные на этом принципе дисплеи позволяют формировать до 4 цветовых оттенков изображения без использования цветных светофильтров.
|
Рис. 5.2-1. Эффект двойного лучепреломления на примере кальцита.
|
Рис. 5.2-2. Пример ECB-дисплея. (Источник: ChipDoc)
|
Из недостатков следует отметить высокую чувствительность к высоким и низким температурам, а также малое количество формируемых тонов.
Широкого применения технология ECB не получила.
6. Методы инверсии полярности (Polarity-inversion Driving Mode)
Как уже было сказано, ЖК-ячейки нельзя надого «запирать» постоянным управляющим напряжением.
Дело в том, что постоянный электрический потенциал вызывает взаимодействие ионов с материалом электродов, нарушающее упорядоченность расположения молекул ЖК-материала, и приводит к деградации ячейки.
В связи с этим используются различные методы чередования знака полярности управляющего напряжения.
Наиболее полный перечень методов инверсии приведен здесь www.techmind.org/lcd.
6.1. Покадровая инверсия полярности
Изменение полярности всех пикселей при отрисовке каждого кадра является наиболее простым в реализации.
Основной недостаток этого метода — изображение начинает мерцать с частотой, равной половине частоты кадровой регенерации.
То есть если дисплей отображает видеосигнал с кадровой частотой 60 Гц, то мерцание изображения будет раздражать наблюдателя, так как мерцание на частоте 30 Гц заметно почти каждому человеку.
Важно, что если бы не было необходимости менять полярность управляющего напряжения ячеек, то воспроизводимое избражение было бы одинаково стабильно, не зависимо от кадровой частоты входного сигнала.
Именно переход управляющего напряжения через «ноль» в противоложный знак и приводит к тому, что пиксель кратковренно изменяет свой цвет.
Рис. 6.1-1. Кадровая инверсия полярности.
6.2. Чересстрочная инверсия полярности
Объединение четных и нечетных строк ЖК-панели в две группы, изменяющие полярность в противоположных направлениях, позволяет слегка уменьшить эффект мерцания изображения.
Рис. 6.2-1. Чересстрочная инверсия полярности.
6.3. Инверсия с чередованием пикселей (субпикселей)
Чередование полярности соседних пикслеей или субпикселей в противофазе дает наиболее качественный результат.
Изображение получается максимально стабильным, а инверсия полярности при этом может проявиться только на специально синтезированных изображениях.
Рис. 6.3-1. Инверсия полярности с чередованием пикселей.
7. Методы управления ячейками активных ЖК-панелей (Drive Mode)
Тонкопленочный диод TFD (Thin Film Diode)
Технология MIM (Metal-Insulator-Metal) производства TFD-панелей позволяет использовать основу из некаленого стекла, которое на порядок дешевле, так как для изготовления тонкопленочных диодов достаточно температуры около 300оC.
К недостаткам TFD-панелей относится температурная нестабильность, а также высокая чуствительность к неоднородностям толщины ЖК-слоя, выраженная в неравномерности отображения серого поля.
Тонкопленочный транзистор TFT (Thin Film Transistor)
Для управления активными ЖК-ячейками широко используеются тонкопленочные транзисторы TFT (Thin Film Transistor), при производстве которых применяются несколько различных подходов, основанных на применении различных материалов:
Аморфный кремний a-Si (Amorphous Silicon)
В качестве материала полупроводниковой плёнки используется крмений в аморфном фазовом состоянии.
Для формирования плёнки на подложке применяется химическое осаждение из паровой фазы.
Тонкоплёночный транзистор из аморфного кремния непрозрачен, поэтому чего при высокой плотности пикселей страдает светопропускание ЖК-панели, так как начинает сказываться сокращённая апертура ЖК-ячейки.
Поликристалический кремний p-Si (Poly-Silicon)
Процесс изготовления тонкопленочного транзистора из поликристаллического кремния состоит из меньшего количества операций и позволяет создавать ЖК-панели с более высоким разрешением, по сравнению с формированием транзисторов из аморфного кремния.
Но необходимость использования более высоких температур существенно удорожает производство панелей больших диагоналей из-за более высоких требований к термостойкости стекляной основы.
Низкотемпературный поликристаллический кремний LTPS (Low Temperature Poly-Silicon)
После нанесения полупроводниковой плёнки из поликристаллического кремния на стекло необходим лазерный отжиг.
Cмесь оксидов индия, галлия и цинка — IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide)
Пленки будущих трназисторов формируются на кварцевом стекле в процессе импульсного лазерного осаждения, где в качестве мишени служит смесь порошков Ga2O3, In2O3 и ZnO в соотношении 1:1:8.
Процесс формирования тонполёночных IZGO-тразисторов фактически идентичен традиционному процессу производства из аморфного кремния (a‑Si).
Различие заключается только в способе нанесения пленки самого полупроводникового материала.
Вместо химического осаждения из паровой фазы применяется вакуумное распыление.
Несмотря на более высокую стоимость материалов, IGZO-транзисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с тонкоплёночными транзисторами на базе аморфного кремния (a-Si).
Во-первых, они более эффективны по потребляемой мощности.
Во-вторых, они имееют меньшую удельную площадь.
То есть производить ЖК-панели с высокой плотностью пикселей на IGZO-транзисторах гораздо эффективнее, чем на a-Si TFT.
И в третьих — они прозрачные!
Это означает, что при всех прочих равных у ЖК-панели на базе IGZO-транзисторов светопропускаение будет выше.
Следовательно, итоговая яркость тоже будет выше.
8. Способы компенсации низкого контраста и малых углов обзора (Low Contrast & Viewing Angles Compensation)
используется второй пассивный слой ЖК (Double Cell)
используется полимерная пленка ОCF (Optical Compensator Film)
9. Метод увеличения количества отображаемых полутонов (Color Range Expanding)
При малом угловом размере элемента изображения невооруженный человеческий глаз не способен точно определить цвет этого элемента.
В связи с этим восприятие изображения, насыщенного мелкими контрастными деталями, будет почти одинаковым как при просмотре его в исходном виде, так и после небольшого уменьшения количества промежуточных полутонов за счет снижения разрядности представления цифровых координат.
Но при просмотре изображений ясного неба, туманов, полированных поверхностей и т. п. наблюдатель сразу обнаружит «пропажу» полутонов в случае, если количество отображаемых оттенков не будет превышать 300 тысяч.
Плавные переходы полутонов будут «расчерчены» визуально отчетливыми границами перехода от одного тона к соседнему, так как занимаемая одним цветовым тоном площадь будет достаточна, чтобы глаз наблюдателя адаптировался и зафиксировал границу цветового перехода.
Именно для этой крайней ситуации применяется метод увеличения отображаемых полутонов на ЖК-дисплеях, управляющая электроника которых не позволяет управлять ЖК-ячейками с достаточной точностью для отображения более 300 тыс. оттенков.
Среди таких устройств наиболее распространены дисплей с 6-битным представлением цветовых координат.
Ячейки таких ЖК-дисплеев аппаратно могут отображать не более 262 тысяч отттенков ( (26)3 = 262 144), поэтому в этом случае зачастую применяются методы как межкадрового (Frame Rate Control), так и внутрикадрового (Spatial Dithering) цветового смешения для получения промежуточных полутонов.
9.1. FRC
Межкадровое чередование основных цветовых тонов (Frame Rate Control) формирует у наблюдателя ощущение восприятия промежуточного цветового оттенка:
Coloraverage = ( Colorn + Colorn + 1 ) / 2
Таким образом, благодаря парному чередованию можно сформировать восприятие N' = N + N − 1 = 2N − 1 оттенков.
Очевидно, что при увеличении периода кадровой серии, например, до 4 кадров количество различимых цветовых оттенков вырастет примерно 4 раза:
N' = N + 3(N − 1) = 4N − 3
Если предложенную схему применить для ЖК-панели с 6-битными контроллерами, то глубина представления цвета при N = 26 = 64 (по каждому каналу) вырастет до 16,2 млн. оттенков:
N' = (4 × 64 − 3)3 = 16 194 277.
9.2. Hi-FRC
По мере разработки более скоростных TN TFT ЖК-панелей был предложен метод высокочастотного межкадрового чередования Hi-FRC.
В дисплеях с Hi-FRC длина кадровой серии увеличена до 8 кадров, что расширило потенциальную глубину представления цвета до 129 млн. оттенков.
N' = (8 × 64 − 7)3 = 5053 = 128 787 625.
Поскольку на практике большинство видеоинтерфейсов работает с 24-битной глубиной цвета, контроллеры Hi-FRC «отбрасывают» младшие биты и округляют расчетное значение воспринимаего цветового тона, «вписывая» его в диапазон 16,7 млн. воспроизводимых цветов.
9.3. Внутрикадровое пространственное (spatial) смешение (dithering) полутонов
Данный метод основан на том, что при малом угловом размере элемента изображения невооруженный человеческий глаз не способен точно определить цвет этого элемента.
В связи с этим восприятие изображения, насыщенного мелкими контрастными деталями, будет почти одинаковым как при просмотре его в исходном виде, так и после небольшого уменьшения количества промежуточных полутонов за счет снижения разрядности представления цифровых координат.
Таким образом, области изображения, насыщенные мелкими деталями, выводятся без обработки.
Но для областей с плавными тоновыми переходами различимых пространственных размеров выполняет преобразование по шаблонам.
Рис. 9.3-1. Граница цветового перехода соседних цветовых тонов воспринимается только при достаточном физическом размере цветовых полей.
Рассмотрим одну из самых простых схем смешения 2×2.
Для формирования более точного восприятия областей изображения с плавными переходами через промежуточные тона выполняется квантование данных областей на группы размером 2×2 пикселя.
После вычисления среднего значения цвета в каждой группе выбирается подходящий шаблон комбинирования цветов.
Данная схема позволяет расширить количество ращличимых цветовых оттенков почти в 4 раза:
N' = 4N + 1.
| требуемый оттенок |
|
|
|
|
|
| применяемый шаблон |
|
|
|
|
|
Таким образом, схема смешения 2×2 для 6-битных ЖК-панелей позволяет увеличить количество воспринимаемых наблюдателем оттенков до 16,97 млн.
N' = (4 × 64 + 1)3 = 16 974 593.
10. Метод подсветки
10.1. Отражение падающего света (Reflective) окружаещего освещения, или устройства фронтальной подсветки (Front Light Unit)
Наиболее распространенными среди отражающих ЖК-дисплеев являются модели, построенные на базе TN, STN, GH (guest host), PCGH (phase changed guest host) или PDLC (polymer dispersed liquid crystal) ЖК-панелей.
ЖК-панели, использующие для подсветки свет окружающего освещения, обладают намного более узким цветовым диапазоном и уровнем контрастности.
Такие панели используются в основном в таких условиях, при которых устройство принудительной подсветки не может по мощности своего светового потока конкурировать с яркостью внешнего освещения.
При разработке качественного отражающего ЖК-дисплея производителям приходится решать сложные задачи.
Во-первых, падающий свет перед тем, как достигнуть наблюдателя, проходит дважды через все рабочие слои ЖК-панели: поляризаторы, рассеиватели, светофильтры и сам слой ЖК.
Это сильно снижает уровень контраста выводимого изображения.
Во-вторых, наличие рассеивателя для обеспечения равномерной яркости по всему полю изображения приводит к появлению смешения цветов.
Поэтому производители стремятся по возможности уменьшить суммарную толщину рабочих слоев ЖК-панели, работающей на просвет.
|
Рис. 10.1-1. Изображение подвержено размытию.
|
Рис. 10.1-2. Изображение подвержено двоению и смешению цветов.
|
Рис. 10.1-3. Влияние паразитных лучей минимально.
|
На иллюстрациях выше показано, что применение для TN TFT панели диффузного отражающего слоя (рис. 10.1.3) вместо рассеивающего и отражающего слоев позволяет повисить качество изображения.
10.2. Работа на просвет (Transmissive) за счет использования устройства задней подсветки BLU (Back Light Unit)
ЖК-панели с устройством задней подсветки нашли широчайшее применение в настольных мониторах и дисплеях портативных компьютеров.
ЖК-ячейки трансмиссионных дисплеев работают на просвет, то есть световой поток, формируемый устройством задней подсветки, проходит через ячейки в направлении от задней стенки к передней в сторону наблюдателя.
При этом сам источник света устройства задней подсветки не обязательно находится позади ЖК-ячеек.
Световой поток может достигать ячейки по световодам от источника, располагающегося как непосредственно сзади дисплея, так и, например, сбоку, за пределами рабочей области ЖК-панели.
10.3. Комбинированный подход (Transflective)
Для устройств, рассчитанных на применение, как в закрытых помещениях, так и на открытом пространстве, комбинированный подход является оптимальным решением.
Трансфлективные дисплеи обладают чуть меньшей контрастностью, углами обзора и цветовым диапазоном, но при этом не теряют информативности даже при наличии мощного окружающего освещения (например, солнечный свет).
11. Источники света для устройств подсветки
Подсветка на базе люминесцентной лампы с холодным катодом CCFL (Cold Cathode Fluorescent Tube)
Применение люминесцентной лампы с холодным катодом широко распространено во многих устройствах, оснащенных ЖК-панелями.
Люминесцентные лампы обладают хорошим запасом по сроку службы, достаточно экономичны (высокая яркость и низкое энергопотребление).
Рис. 11.1. В ЖК-панелях для мобильных устройств применяются очень тонкие люминесцентные лампы с холодным катодом.
Рис. 11.2. Люминесцентная лампа с холодным катодом вблизи.
Рис. 11.3. Люминесцентная лампа с холодным катодом.
Подсветка на базе светодиодов LED (Light Emission Device)
Светодиоды устойчивы к вибрациям, обладают большим сроком службы, нетребовательны к схеме питания.
Существенным недостатком светодиодов является недостаточный КПД, что тормозит их широкое применение в портативных устройствах.
В последнее время были разработаны достаточно эффективные «белые» светодиоды, ставшие пионерами в устройствах задней подсветки некоторых моделей портативных компьютеров (ноутбуков и коммуникаторов).
Список литературы:
08 июня 2008—03 октября 2009 Максим Проскурня |
|
